门静脉富集代谢物作为胰岛素抵抗中肠道微生物组的中间调节因子

Portal vein-enriched metabolites as intermediate regulators of the gut microbiome in insulin resistance

作者信息Vitor Rosetto Muñoz, Francois Moreau, Marion Soto, Yoshiyuki Watanabe, Loc-Duyen Pham, Jimmy Zhong, Sam Zimmerman, Bruna B Brandao, Khyati Girdhar, Julian Avila, Hui Pan, Jonathan M Dreyfuss, Michael Y Mi, Robert E Gerszten, Emrah Altindis, Aleksandar Kostic, Clary B Clish, C Ronald Kahn
PMID40914155
发布时间2025-10-07
DOI10.1016/j.cmet.2025.08.005

实验完整度

高

包含多种小鼠模型的体内实验、原代肝细胞和细胞系实验、代谢组学/宏基因组学分析、以及人体样本相关分析,且进行了功能和机制验证。

主要模型

C57Bl/6J小鼠 129S1/129S6小鼠 HepG2细胞 AML12肝细胞 原代肝细胞 Jackson Heart Study队列

重点核对

不同小鼠品系(C57Bl/6J vs 129S1/129S6)对HFD的代谢反应差异 万古霉素或甲硝唑处理HFD喂养小鼠的抗生素处理方案(1g/L饮水) 中康酸、衣康酸、柠康酸体外处理肝细胞的浓度(1-10 μM)及时间(3-24h) 中康酸/衣康酸体内注射剂量(10 mg/kg腹腔注射,连续3天) 人体样本中柠康酸水平与空腹血糖的负相关(Jackson Heart Study)

摘要

Diet and obesity contribute to insulin resistance and type 2 diabetes, in part via the gut microbiome. To explore the role of gut-derived metabolites in this process, we assessed portal/peripheral blood metabolites in mice with different risks of obesity/diabetes, challenged with a high-fat diet (HFD) + antibiotics. In diabetes/obesity-prone C57BL/6J mice, 111 metabolites were portally enriched and 74 were peripherally enriched, many of which differed in metabolic-syndrome-resistant 129S1/129S6 mice. Vancomycin treatment of HFD-fed C57BL/6J mice modified the microbiome and the portal/peripheral ratio of many metabolites, including upregulating tricarboxylic acid (TCA) cycle-related metabolites, like mesaconate, in portal blood. Treatment of isolated hepatocytes with mesaconate, itaconate, or citraconate improved insulin signaling and transcriptionally regulated genes involved in gluconeogenesis, fatty acid oxidation, and lipogenesis in vitro and in vivo. In humans, citraconate levels are inversely correlated with plasma glucose. Thus, portal versus peripheral metabolites play important roles in mediating effects of the microbiome on hepatic metabolism and the pathogenesis of HFD-related insulin resistance.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肠道微生物组是否通过门静脉富集的代谢物调节肝脏代谢和胰岛素抵抗?
核心机制
中康酸及其异构体(衣康酸、柠康酸)通过转录调控机制,抑制从头脂肪生成基因表达并促进脂肪酸氧化基因表达,增强线粒体功能和胰岛素信号,从而改善胰岛素抵抗。
主要证据
门静脉和外周血代谢组学分析显示TCA循环中间代谢物在门静脉富集,体外实验证实中康酸等可改善肝细胞胰岛素信号和基因表达,体内实验证实其改善肝脏代谢和胰岛素敏感性。
研究意义
门静脉代谢物(尤其是TCA循环中间体)可能是肠道微生物组与宿主代谢之间的重要中介,为代谢综合征的预防和治疗提供了新靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

分析不同饮食和抗生素处理小鼠的门静脉/外周血代谢谱

鉴定门静脉/外周血中差异富集的代谢物,并评估饮食和肠道菌群对代谢物富集的影响

对chow、HFD、HFD+万古霉素、HFD+甲硝唑处理的C57Bl/6J小鼠收集门静脉和心脏血,LC-MS代谢组学分析,比较富集差异

2

比较不同遗传背景小鼠的门静脉/外周血代谢谱

评估宿主遗传背景对门静脉代谢物富集的影响,并关联肠道菌群差异

对HFD喂养的B6J、129S1和129S6小鼠收集门静脉和心脏血,代谢组学分析,并分析肠道菌群与代谢物相关性

3

体外研究代谢物对肝细胞功能的影响

验证TCA循环中间体(中康酸等)对肝细胞胰岛素信号、基因表达、脂质代谢和线粒体功能的影响

用中康酸、衣康酸、柠康酸处理HepG2、AML12和原代肝细胞,检测胰岛素信号通路磷酸化、基因表达(脂肪合成和氧化)、脂质积累、线粒体耗氧率等

4

体内验证代谢物对肝脏代谢和胰岛素抵抗的影响

在动物水平验证中康酸和衣康酸对肝脏基因表达、线粒体功能和胰岛素敏感性的影响

对B6J小鼠腹腔注射中康酸或衣康酸(10 mg/kg)连续3天,检测肝脏基因表达、线粒体功能;并分离HFD喂养小鼠原代肝细胞验证代谢物效果

5

人体样本中代谢物水平与代谢指标相关性分析

评估人体循环中柠康酸水平与血糖等代谢指标的关系

分析Jackson Heart Study队列中466名参与者血浆柠康酸水平与空腹血糖等相关性

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
C57Bl/6J小鼠The Jackson Laboratory000664
129S1/SvImJ小鼠The Jackson Laboratory002448
129S6/SvEvTac小鼠Taconic Farms129SVE-M
HepG2细胞ATCCHB-8065
AML12细胞ATCCCRL-2254
万古霉素Santa Cruzsc-224363A
甲硝唑SigmaM3761-25G
衣康酸SigmaI29204
中康酸Sigma131040
柠康酸SigmaC82604
TRIzol试剂Life Technologies15-596-018
RNeasy小型试剂盒QIAGEN74106
磷酸化IGF-IRβ/IRβ抗体Cell Signaling3024
胰岛素受体β抗体Cell Signaling3025
磷酸化Akt (Ser473)抗体Cell Signaling4060
Akt抗体Cell Signaling4685
SREBP-1抗体Santa CruzSC-8984
FAS抗体Abcamab22759
ACC抗体Cell Signaling3662
PPARα抗体Abcamab8934
ACSL1抗体Cell Signaling9189
β-肌动蛋白抗体Santa CruzSC8432-HRP
DMEM培养基ThermoFisher--
胎牛血清----
青霉素-链霉素----
胰岛素Millipore-SigmaI9278
Lipofectamine 3000转染试剂ThermoFisherL3000015
Lipofectamine RNAiMAX转染试剂ThermoFisher13778150
雷公藤甲素MedChemExpressHY-32735
GW6471MedChemExpressHY-15372
UK5099Tocris4186
MitoTracker Red FM染料ThermoFisherM22425
BODIPY染料InvitrogenD3823
SuperSignal West Pico PLUS化学发光底物ThermoFisher34580
RIPA裂解缓冲液Millipore-Sigma20-188
蛋白酶抑制剂混合物BioToolB14002
磷酸酶抑制剂混合物BioToolB15002
BCA蛋白定量试剂盒ThermoFisher23227
High-Capacity cDNA反转录试剂盒ThermoFisher4368813
iQ SYBR Green SupermixBio-Rad1708884
Zymobiomics DNA提取试剂盒Zymo ResearchD4300
Illumina Tagment DNA TDE1酶和缓冲液试剂盒Illumina20034197
Nextera DNA CD索引Illumina20018708
Mag-Bind TotalPure NGS磁珠Omega bio-tekM1378-00
Nexera X2超高效液相色谱Shimadzu Scientific Instruments--
Q Exactive / Exactive Plus Orbitrap质谱仪ThermoFisher--
XFe96 Seahorse细胞外流量分析仪Seahorse Bioscience--
FACSAria流式细胞仪Becton Dickinson--
Oxygraph-2k高分辨呼吸测定仪Oroboros Instruments--
CLARIOstar多功能酶标仪BMG LABTECH--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物实验(饮食/抗生素)
小鼠品系:C57Bl/6J;抗生素剂量:万古霉素1g/L、甲硝唑1g/L饮水;处理时间:HFD 11周或6-11周;饮食:正常饮食或HFD(60%脂肪)
阅读提示:STAR Methods 小鼠模型部分
动物实验(品系比较)
小鼠品系:C57Bl/6J、129S1/SvImJ、129S6/SvEvTac;处理:HFD 12周;年龄:8周龄开始;终点:禁食2小时后收集血液
阅读提示:STAR Methods 小鼠模型部分及图4A
体外细胞处理
细胞系:HepG2、AML12;代谢物:中康酸、衣康酸、柠康酸,浓度1或10 μM;处理时间:3-24小时;胰岛素刺激:100 nM 15分钟
阅读提示:STAR Methods 细胞培养部分
体内代谢物处理
小鼠:8周龄B6J,正常饮食;给药:腹腔注射10 mg/kg中康酸或衣康酸,连续3天;终点:最后注射后6小时取肝脏
阅读提示:STAR Methods 体内处理部分及图7A
人体样本相关性分析
队列:Jackson Heart Study;样本数量:466;测量指标:血浆柠康酸、空腹血糖;统计模型:线性回归(校正协变量)
阅读提示:STAR Methods 人类数据部分